Ciekawostki

Czarna dziura – Ciekawostki, Fakty, Informacje

czarna dziura

Czarne dziury to jedne z najbardziej fascynujących i tajemniczych obiektów we wszechświecie. Są to regiony przestrzeni, z których nic nie może się wydostać, nawet światło. Powstają one w wyniku zapadania się bardzo masywnych gwiazd pod wpływem własnej grawitacji. Czarne dziury stawiają przed naukowcami wiele wyzwań i zagadek, ponieważ łączą w sobie dwa sprzeczne ze sobą obszary fizyki: ogólną teorię względności i mechanikę kwantową. W tym artykule przedstawimy niektóre z najciekawszych faktów i paradoksów dotyczących czarnych dziur, takich jak promieniowanie Hawkinga, firewall, włosy kwantowe czy fale grawitacyjne.

1. Czarne dziury to miejsca w kosmosie, gdzie grawitacja jest tak silna, że nic, nawet światło, nie może z nich się wydostać. Powstają, gdy bardzo masywna gwiazda umiera i zapada się pod własnym ciężarem.

2. Są niewidoczne dla ludzkiego oka, ponieważ pochłaniają całe światło. Naukowcy mogą je wykrywać dzięki wpływowi, jaki wywierają na otaczającą je materię, np. na pobliskie gwiazdy lub gaz.

3. Czarne dziury mają strukturę opisaną przez ogólną teorię względności Alberta Einsteina. W centrum czarnej dziury znajduje się punkt o zerowej objętości i nieskończonej gęstości, zwany osobliwością. Otacza go powierzchnia zwana horyzontem zdarzeń, za którą nic nie może się wydostać.

4. Promień horyzontu zdarzeń nazywa się promieniem Schwarzschilda, od nazwiska niemieckiego astronoma Karla Schwarzschilda, który w 1916 roku przewidział istnienie zapadniętych ciał niebieskich nie emitujących promieniowania. Rozmiar promienia Schwarzschilda jest proporcjonalny do masy zapadającej się gwiazdy.

5. Istnieją różne rodzaje czarnych dziur o różnych masach i rozmiarach. Naukowcy uważają, że najmniejsze czarne dziury mają rozmiar jednego atomu i masę porównywalną z górą. Nazywane są mikroczarnymi dziurami i mogły powstać podczas Wielkiego Wybuchu.

6. Innym rodzajem czarnych dziur są czarne dziury gwiazdowe, które mają masę od kilku do kilkudziesięciu razy większą niż masa Słońca. Powstają one w wyniku supernowych, czyli eksplozji umierających gwiazd o dużej masie. W naszej galaktyce może być wiele takich czarnych dziur.

7. Największe czarne dziury nazywane są supermasywnymi i mają masę milionów lub miliardów razy większą niż masa Słońca. Naukowcy mają dowody na to, że każda duża galaktyka ma w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Supermasywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej nazywa się Sagittarius A* i ma masę równą około 4 milionom Słońc.

8. Mogą rosnąć w rozmiarze i masie poprzez pochłanianie materii z otoczenia lub łączenie się z innymi czarnymi dziurami. Zjawisko to nazywa się akrecją i powoduje wydzielanie ogromnej ilości energii w postaci promieniowania rentgenowskiego lub fal grawitacyjnych.

9. Mogą mieć różne kształty i właściwości w zależności od tego, czy obracają się czy nie i czy mają ładunek elektryczny czy nie. Czarne dziury nierotujące i nieelektryzowane nazywane są czarnymi dziurami Schwarzschilda i mają kształt idealnej kuli.

10. Czarne dziury rotujące i elektryzowane nazywane są czarnymi dziurami Kerra i Kerra-Newmana. Mają one kształt spłaszczonego elipsoidu i wokół nich występuje efekt nazywany ciągnięciem ramy odniesienia, który powoduje, że przestrzeń i czas obracają się razem z czarną dziurą.

11. Czarne dziury rotujące mają dwie powierzchnie horyzontu zdarzeń: wewnętrzną i zewnętrzną. Pomiędzy nimi znajduje się obszar zwany ergosferą, gdzie nie można utrzymać się w spoczynku względem nieruchomego obserwatora zewnętrznego. W ergosferze można wydobywać energię z czarnej dziury poprzez proces Penrose’a.

12. Czarne dziury rotujące mają również osobliwość pierścieniową, która jest otoczona przez sferyczną powierzchnię zwana sferoidem Cauchy’ego lub horyzontem Cauchy’ego. Teoretycznie możliwe jest przejście przez sferoid Cauchy’ego i osobliwość pierścieniową do innego wszechświata lub innej części tego samego wszechświata.

13. Nie są wieczne, ponieważ emitują promieniowanie Hawkinga, które powstaje na skutek fluktuacji kwantowych na horyzoncie zdarzeń. Promieniowanie Hawkinga sprawia, że czarne dziury tracą masę i kurczą się, aż w końcu znikną w eksplozji zwanej ewaporacją czarnej dziury.

14. Promieniowanie Hawkinga ma temperaturę odwrotnie proporcjonalną do masy czarnej dziury. Im większa jest masa czarnej dziury, tym niższa jest temperatura promieniowania Hawkinga i tym wolniej ona ewaporuje. Dla typowych czarnych dziur gwiazdowych temperatura promieniowania Hawkinga jest znacznie niższa niż temperatura tła kosmicznego, więc takie czarne dziury nie mogą się skurczyć w obecnych warunkach kosmologicznych.

15. Czarne dziury mogą być źródłem fal grawitacyjnych, które są zaburzeniami przestrzeni i czasu wywołanymi przez przyspieszone ruchy masywnych obiektów. Fale grawitacyjne są bardzo słabe i trudne do wykrycia, ale największe sygnały pochodzą od zderzeń lub łączenia się czarnych dziur lub neutronowych gwiazd.

16. Fale grawitacyjne po raz pierwszy zostały bezpośrednio zaobserwowane w 2015 roku przez detektor LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), który zarejestrował sygnał pochodzący od łączenia się dwóch czarnych dziur o masach około 30 razy większych niż masa Słońca. Zjawisko to zostało nazwane GW150914 i było pierwszym bezpośrednim dowodem na istnienie czarnych dziur rotujących.

17. Fale grawitacyjne mogą być używane do badania właściwości czarnych dziur, takich jak masa, wirowanie czy ładunek elektryczny. Naukowcy mogą również używać fal grawitacyjnych do testowania ogólnej teorii względności w ekstremalnych warunkach.18. Czarne dziury stawiają przed naukowcami wiele paradoksów i zagadek, które wynikają z połączenia przewidywań ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej. Jednym z nich jest paradoks informacyjny Hawkinga, który dotyczy tego, co dzieje się z informacją o materii, która wpada do czarnej dziury.

19. Paradoks informacyjny Hawkinga polega na tym, że ogólna teoria względności przewiduje, że informacja o materii wpadającej do czarnej dziury jest nieodwracalnie tracona, podczas gdy mechanika kwantowa zakłada, że informacja jest zachowywana i nie może być zniszczona. To stwarza sprzeczność między dwoma fundamentalnymi teoriami fizyki.

20. Istnieje wiele propozycji rozwiązania paradoksu informacyjnego Hawkinga, ale żadna z nich nie jest powszechnie akceptowana. Niektóre z nich zakładają, że informacja jest przechowywana na horyzoncie zdarzeń czarnej dziury lub w jej wnętrzu, inne sugerują, że informacja jest kodowana w promieniowaniu Hawkinga lub przenoszona do innego wszechświata, lub wymiaru.

21. Innym paradoksem związanym z czarnymi dziurami jest paradoks firewalla, który dotyczy tego, co dzieje się z obserwatorem wpadającym do czarnej dziury. Zgodnie z ogólną teorią względności obserwator nie powinien odczuwać niczego niezwykłego przy przekroczeniu horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Jednak według niektórych argumentów opartych na mechanice kwantowej obserwator powinien napotkać na horyzoncie gorącą ścianę promieniowania, która go spali.

22. Paradoks firewalla wynika z próby pogodzenia trzech założeń: że promieniowanie Hawkinga jest termiczne i losowe, że informacja o materii wpadającej do czarnej dziury jest zachowywana i że ogólna teoria względności jest prawdziwa w pobliżu horyzontu zdarzeń. Niektórzy fizycy uważają, że trzeba porzucić jedno z tych założeń, aby rozwiązać paradoks firewalla.

23. Czarne dziury są również źródłem wielu ciekawych zjawisk fizycznych, takich jak efekt lensego-thirringa, efekt Unruha lub efekt Bekensteina-Hawkinga. Efekt lensego-thirringa polega na tym, że rotująca czarna dziura wywiera siłę na otaczającą ją materię i sprawia, że obraca się ona wokół niej. Efekt Unruha polega na tym, że obserwator poruszający się ze stałym przyspieszeniem w pobliżu czarnej dziury widzi promieniowanie termiczne o temperaturze proporcjonalnej do przyspieszenia. Efekt Bekensteina-Hawkinga polega na tym, że entropia czarnej dziury jest proporcjonalna do jej powierzchni horyzontu zdarzeń.